DE102014208552A1 - POWER SUPPLY CIRCUIT FOR A GATE CONTROLLER OF A TERMINAL - Google Patents

POWER SUPPLY CIRCUIT FOR A GATE CONTROLLER OF A TERMINAL Download PDF

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Abstract

In einer fliegende Kondensatoren (Cu1, Cu2, Cv1, Cv2, Cw1, Cw2) verwendenden Hochspannungs-Stromrichtschaltung mit einer großen Anzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen mit niedriger Stehspannung ist der Potentialunterschied zwischen einer Hauptschaltung und einer Steuerschaltung so groß, dass eine Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung (GD) mittels eines Transformators (Tr1 bis Tr3) elektrisch isoliert sein muss. Eine Verwendung vieler Hochspannungstransformatoren hat zur Folge, dass die Stromrichtschaltung groß und kostspielig ist, was ein durch die vorliegende Erfindung zu lösendes Problem ist. In einer Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung für Halbleiter-Schaltvorrichtungen der Stromrichtschaltung vom ”Fliegende-Kondensatoren”-Typ wird eine elektrische Isoliervorrichtung verwendet, welche aus in Reihe geschalteten Transformatoren (Tr1 bis Tr3) besteht, wobei ein mittlerer Verbindungspunkt der Reihenschaltung mit einem Punkt mittleren Potentials der fliegenden Kondensatoren (Cu1, Cu2, Cv1, Cv2, Cw1, Cw2) oder einem Punkt (Punkten) feststehenden Potentials eines Hauptschaltungs-Gleichstromteils verbunden ist.In a high-voltage power conversion circuit using flying capacitors (Cu1, Cu2, Cv1, Cv2, Cw1, Cw2) with a large number of semiconductor switching devices with a low withstand voltage, the potential difference between a main circuit and a control circuit is so large that a power supply circuit for a gate -Control circuit (GD) must be electrically isolated by means of a transformer (Tr1 to Tr3). Using many high-voltage transformers results in the conversion circuit being large and expensive, which is a problem to be solved by the present invention. In a power supply circuit for a gate drive circuit for semiconductor switching devices of the power conversion circuit of the "flying capacitors" type, an electrical insulating device is used, which consists of transformers connected in series (Tr1 to Tr3) with a middle connection point of the series circuit with a point middle potential of the flying capacitors (Cu1, Cu2, Cv1, Cv2, Cw1, Cw2) or a point (points) of fixed potential of a main circuit DC part is connected.

Description

VERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNGREFER TO A RELATED APPLICATION

Diese Anmeldung beruht auf und beansprucht Priorität der am 21. Mai 2013 eingereichten Japanischen Patentanmeldung Nr. 2013-107081 , deren Inhalt durch Verweis hierin eingeschlossen wird.This application is based on and claims priority to the filed on May 21, 2013 Japanese Patent Application No. 2013-107081 , the contents of which are incorporated herein by reference.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung zum Ansteuern von Leistungshalbleiter-Schaltvorrichtungen eines Stromrichters wie eines Umrichters, insbesondere eine solche Schaltung in einer Stromrichtschaltung, welche fliegende Kondensatoren verwendet.The present invention relates to a power supply circuit for a gate driving circuit for driving power semiconductor switching devices of a power converter such as an inverter, particularly such a circuit in a power directing circuit using flying capacitors.

2. Beschreibung des Stands der Technik2. Description of the Related Art

8 ist ein Schaltbild der Hauptschaltung einer zweistufigen Umrichterschaltung, einer typischen Stromrichtschaltung, welche eine Gleichstrom/Wechselstrom-Leistungsumwandlung durchführt. Die Umrichterschaltung in 8 enthält eine Haupt-Wechselstromleistungsquelle APM, eine aus Dioden und anderen Schaltungselementen zum Umwandeln einer Wechselstromleistung in eine Gleichstromleistung bestehende Gleichrichtschaltung RE und eine einer Gleichstromversorgung entsprechende Gleichstrom-Zwischenschaltung, welche gewöhnlich aus Kondensatoren hoher Kapazität Ca und Cb besteht. Wenn eine gleichgerichtete Gleichspannung höher als die Nennspannung des Kondensators ist, sind die beiden Kondensatoren in Reihe geschaltet wie in 8 gezeigt. Das Umrichtersystem in 8 enthält eine Last wie einen Wechselstrommotor ACM und eine Leistungshalbleitervorrichtungen enthaltende Gleichstrom/Wechselstrom-Umformschaltung INV, wobei die Umformschaltung INV veränderliche Spannungen bei veränderlichen Frequenzen abgibt. Wenn eine Leistung aus der Last regeneriert wird, arbeitet die Umrichter-Hauptschaltung als ein Umformer, um die Wechselstromleistung in eine Gleichstromleistung umzuwandeln. 8th Fig. 12 is a circuit diagram of the main circuit of a two-stage converter circuit, a typical power converter circuit, which performs a DC / AC power conversion. The converter circuit in 8th includes a main AC power source APM, a rectifying circuit RE composed of diodes and other circuit elements for converting an AC power to a DC power, and a DC intermediate circuit corresponding to a DC power supply, which usually consists of high-capacitance capacitors Ca and Cb. If a rectified DC voltage is higher than the rated voltage of the capacitor, the two capacitors are connected in series, as in 8th shown. The inverter system in 8th includes a load such as an AC motor ACM and a DC / AC converter circuit INV including a power semiconductor device, the converter circuit INV outputting variable voltages at variable frequencies. When power is regenerated from the load, the inverter main circuit operates as a converter to convert the AC power into a DC power.

Die Gleichstrom/Wechselstrom-Umformschaltung INV enthält Halbleiter-Schaltvorrichtungen Su, Sv Sw, Sx, Sy und Sz, welche jeweils aus einem IGBT und einer antiparallel geschalteten Diode bestehen. Eine Dreiphasen-Ausgangsschaltung enthält sechs Schaltungen der Halbleiter-Schaltvorrichtungen. Der Stromrichter enthält außerdem Gate-Ansteuerschaltungen GDu, GDv, GDw, GDx, GDy und GDz zum Ansteuern der IGBTs und eine Steuerschaltung CNT zum Steuern der Stromrichter-Schaltung. Die Steuerschaltung CNT gibt für jeden IGBT ein EIN/AUS-Befehlssignal, ein Gate-Ansteuersignal, an eine Gate-Ansteuerschaltung. Da das Basispotential der Steuerschaltung gewöhnlich vom Potential an den IGBTs und vom Potential an deren Gate-Ansteuerschaltung verschieden ist, benötigt eine Stromversorgung für die Gate-Ansteuerschaltung eine Isoliervorrichtung wie einen Transformator.The DC / AC conversion circuit INV includes semiconductor switching devices Su, Sv Sw, Sx, Sy, and Sz each consisting of an IGBT and an antiparallel-connected diode. A three-phase output circuit includes six circuits of the semiconductor switching devices. The power converter further includes gate drive circuits GDu, GDv, GDw, GDx, GDy and GDz for driving the IGBTs and a control circuit CNT for controlling the power converter circuit. The control circuit CNT outputs an ON / OFF command signal, a gate drive signal, to a gate drive circuit for each IGBT. Since the base potential of the control circuit is usually different from the potential at the IGBTs and the potential at its gate drive circuit, a power supply for the gate drive circuit requires an isolation device such as a transformer.

Die 9A und 9B zeigen Beispiele von Schaltungen zur Versorgung einer Gate-Ansteuerschaltung GD mit Strom aus einer Niederspannungs-Wechselstromversorgung AP mit einer Netzfrequenz. Die Niederspannungs-Wechselstromleistung der Stromversorgung AP wird gewöhnlich durch die in 8 angegebene Wechselstromleistungsquelle APM geliefert. Das System in 9A erzeugt mittels einer Wechselstrom/Wechselstrom-Umformschaltung ACV oder einer Wechselstrom/Gleichstrom/Wechselstrom-Umformschaltung einen Hochfrequenz-Wechselstrom aus der Niederspannungs-Wechselstromversorgung AP, isoliert den Hochfrequenz-Wechselstrom mittels einer Isoliervorrichtung aus einem Hochfrequenz-Transformator HFT, wandelt die isolierte Hochfrequenz-Wechselstromleistung mit einer Diode D und einem Kondensator Cd in eine Gleichstromleistung um und liefert die Gleichstromleistung an eine Gate-Ansteuerschaltung GD für einen IGBT S. Hier trägt der Hochfrequenz-Wechselstrom dazu bei, den Transformator HFT zu miniaturisieren. 9B zeigt ein System, welches eine Isoliervorrichtung eines Netzfrequenz-Trenntransformators CFT verwendet. Dieses System beseitigt die Wechselstrom/Wechselstrom Umformschaltung ACV im System in 9A und führt die Aufrechterhaltung einer elektrischen Isolierung bei der Netzfrequenz ein. Bei diesem Aufbau arbeitet der Trenntransformator CFT jedoch bei einer Netzfrequenz und ist er folglich größer als der Transformator HFT im System in 9A.The 9A and 9B show examples of circuits for supplying a gate drive circuit GD with power from a low-voltage AC power supply AP at a mains frequency. The low voltage AC power of the power supply AP is usually determined by the in 8th specified AC power source APM supplied. The system in 9A generates a high-frequency AC power from the low-voltage AC power supply AP by means of an AC / AC conversion circuit ACV or an AC / DC / AC conversion circuit, isolates the high-frequency AC power by means of an isolation device of a high-frequency transformer HFT, converts the isolated high-frequency AC power with a diode D and a capacitor Cd in a DC power and supplies the DC power to a gate drive circuit GD for an IGBT S. Here, the high-frequency AC power contributes to miniaturize the transformer HFT. 9B shows a system using an isolation device of a power frequency isolation transformer CFT. This system eliminates the AC / AC forming circuit ACV in the system 9A and introduces the maintenance of electrical insulation at the mains frequency. However, in this structure, the isolation transformer CFT operates at a line frequency and thus is larger than the transformer HFT in the system in FIG 9A ,

Für den Hochfrequenz-Transformator HFT und den Netzfrequenz-Transformator CFT zur Verwendung in der Vorrichtung zum Ansteuern von Motoren eines 200-V-Systems und eines 400-V-Systems reicht eine Stehspannung von ungefähr 2 kV aus. Für eine in einer Hochspannungsvorrichtung mit mehreren Kilovolt verwendete Stromversorgung für eine Gate-Ansteuerschaltung für IGBTs wird jedoch ein Transformator mit einer Stehspannung von über 10 kV benötigt.For the high frequency transformer HFT and the mains frequency transformer CFT for use in the apparatus for driving motors of a 200V system and a 400V system, a withstand voltage of about 2 kV is sufficient. However, a power supply for a gate driving circuit for IGBTs used in a multi-kilovolt high-voltage device requires a transformer having a withstand voltage of over 10 kV.

10 zeigt eine auf der Schaltung in 8 beruhende Hochspannungs-Stromrichtschaltung. Dieses in Patentdokument 1 offenbarte Schaltungsbeispiel ist eine Stromrichtschaltung vom ”Fliegende-Kondensatoren”-Typ. Diese Schaltung verwendet keine Halbleiter-Schaltvorrichtung mit hoher Stehspannung und verwendet in Reihe geschaltete Halbleiter-Schaltvorrichtungen mit niedriger Stehspannung. Die Schaltung enthält außerdem einen zur Reihenschaltung von Halbleiter-Schaltvorrichtungen parallelgeschalteten fliegenden Kondensator. Obwohl 10 eine Schaltung für eine dreiphasige Wechselstromausgabe zeigt, wird im Folgenden nur die U-Phase beschrieben, weil die drei Phasen den gleichen Schaltungsaufbau aufweisen. Die U-Phase enthält eine Reihenschaltung von vier Halbleiter-Schaltvorrichtungen Su1 Su2, Sx1 und Sx2 zwischen einem positiven Anschlusspunkt P und einem negativen Anschlusspunkt N einer aus in Reihe geschalteten Einzel-Gleichstromversorgungen DP1, DP2, DN1 und DN2 bestehenden Gleichstromversorgung. Eine Reihenschaltung fliegender Kondensatoren Cu1 und Cu2 ist zwischen den Verbindungspunkt zwischen den Schaltvorrichtungen Su1 und Su2 und den Verbindungspunkt zwischen den Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sx1 und Sx2 geschaltet. Im Fall, dass die Spannung der Gleichstromversorgung 4 Ed ist und das Potential am Punkt M, welcher ein Punkt mittleren Potentials der Gleichstromversorgung ist, als das Basispotential null definiert ist, können drei Potentialstufen 2 Ed, 0 und –2 Ed an einem Wechselstrom-Ausgabepunkt A abgegeben werden, indem die Spannung der fliegenden Kondensatoren auf 2 Ed gesteuert wird. Somit ist die Schaltung in 10 ein dreistufiger Umrichter. 10 shows one on the circuit in 8th based high voltage current direction switching. This circuit example disclosed in Patent Document 1 is a "fly capacitor" type power conversion circuit. This circuit does not use a high withstand voltage semiconductor switching device and uses low-withstand voltage series switched semiconductor switching devices. The circuit also includes a for series connection of semiconductor switching devices connected in parallel flying capacitor. Even though 10 shows a circuit for a three-phase AC output, only U-phase will be described below because the three phases have the same circuit construction. The U phase includes a series connection of four semiconductor switching devices Su1 Su2, Sx1 and Sx2 between a positive terminal point P and a negative terminal point N of a DC power supply consisting of series-connected single DC power supplies DP1, DP2, DN1 and DN2. A series circuit of flying capacitors Cu1 and Cu2 is connected between the connection point between the switching devices Su1 and Su2 and the connection point between the semiconductor switching devices Sx1 and Sx2. In the case that the voltage of the DC power supply 4 is Ed and the potential at the point M which is a middle potential point of the DC power supply is defined as the base potential zero, three potential levels 2 Ed, 0 and -2 Ed may be applied at an AC output point A by controlling the voltage of the flying capacitors to 2 Ed. Thus, the circuit is in 10 a three-stage inverter.

Die 11 und 12 zeigen den Aufbau von Gate-Ansteuerungs-Stromversorgungen, wobei die Schaltung in 11 einen Transformator für jeden IGBT enthält, wohingegen die Schaltung in 12, welche in Patentdokument 2 offenbart ist, zwei in Reihe geschaltete Transformatoren für jeden IGBT enthält. Der in 11 gezeigte Hochfrequenz-Transformator HFT1 ist zwecks elektrischer Isolierung zwischen der Niederspannungs-Wechselstromversorgung AP und der Hauptschaltung vorgesehen, und der in 12 gezeigte Hochfrequenz-Transformator HFT3 ist zwecks elektrischer Isolierung zwischen der Niederspannungs-Wechselstromversorgung AP und dem Potential am Punkt M der Gleichstromversorgung vorgesehen. Beide Transformatoren HFT1 und HFT3 müssen gewöhnlich eine hohe Stehspannung aufweisen. Die in 12 gezeigten Transformatoren HFT2 zum Versorgen von Gate-Ansteuerschaltungen für IGBTs mit Strom arbeiten bezüglich des Basispotentials am Punkt M und benötigen eine Stehspannung von 2 Ed.The 11 and 12 show the structure of gate drive power supplies, the circuit in 11 contains a transformer for each IGBT, whereas the circuit in 12 , which is disclosed in Patent Document 2, includes two series-connected transformers for each IGBT. The in 11 The high-frequency transformer HFT1 shown is provided between the low-voltage AC power supply AP and the main circuit for the purpose of electrical insulation, and the in 12 The high-frequency transformer HFT3 shown is provided for electrical insulation between the low-voltage AC power supply AP and the potential at the point M of the DC power supply. Both transformers HFT1 and HFT3 usually need to have a high withstand voltage. In the 12 shown transformers HFT2 for powering gate drive circuits for IGBTs with respect to the base potential at the point M and require a withstand voltage of 2 Ed.

[Patentdokument 1][Patent Document 1]

  • Japanische ungeprüfte Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 2009-177951Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-177951

[Patentdokument 2][Patent Document 2]

  • Japanische ungeprüfte Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 2006-081232Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2006-081232

Hochspannungsvorrichtungen mit mehreren Kilovolt wie oben beschrieben verwenden gewöhnlich Transformatoren mit hoher Stehspannung, um die Stromversorgungen für Gate-Ansteuerschaltungen für jeden IGBT elektrisch zu isolieren. Dies verursacht hohe Kosten. Transformatoren, welche eine hohe Stehspannung sicherstellen, müssen eine ausreichend große Trennstrecke zwischen der Primärseite und der Sekundärseite aufweisen, was zur Folge hat, dass die Transformatoren groß sind. Die Kosten und die Größe des Transformators sind nicht einfach proportional zur Höhe der Stehspannung, sondern nehmen exponentiell zu. Somit sind die Kostensenkung und die Verkleinerung ernsthafte Herausforderungen bei Hochspannungsvorrichtungen.Multi-kilovolt high voltage devices as described above typically use high withstand voltage transformers to electrically isolate the power supplies for gate drive circuits for each IGBT. This causes high costs. Transformers, which ensure a high withstand voltage, must have a sufficiently large separation distance between the primary side and the secondary side, with the result that the transformers are large. The cost and size of the transformer are not simply proportional to the magnitude of the withstand voltage, but increase exponentially. Thus, cost reduction and downsizing are serious challenges in high voltage devices.

Der in 11 gezeigte dreistufige Umrichter und höhere Stufen mehrstufiger Umrichter enthalten gewöhnlich eine große Anzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen, was dann wieder entsprechend viele Transformatoren mit hoher Stehspannung erfordert, was die Kosten steigen lässt. In der Schaltung mit dem Aufbau aus 12 ist das Primärwicklungs-Potential der Hochfrequenz-Transformatoren HFT2 das Potential am Punkt M, müssen aber die Transformatoren HFT2 eine Stehspannung von mindestens 2 Ed sicherstellen, was eine Hälfte der Hauptschaltungs-Gleichstromversorgungs-Spannung ist.The in 11 The three-stage inverters and higher stages of multi-stage inverters shown usually contain a large number of semiconductor switching devices, which then requires a corresponding number of high withstand voltage transformers, which increases costs. In the circuit with the construction off 12 For example, the primary winding potential of the high frequency transformers HFT2 is the potential at the point M, but the transformers HFT2 must ensure a withstand voltage of at least 2 Ed, which is one half of the main circuit DC power supply voltage.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung für Halbleiter-Schaltvorrichtungen einer Stromrichtschaltung vom ”Fliegende-Kondensatoren”-Typ bereitzustellen, wobei die Stromversorgungsschaltung eine elektrische Isoliervorrichtung mit einer niedrigen Stehspannung verwendet und folglich eine Verkleinerung und eine Kostensenkung erzielt wird.Therefore, it is an object of the present invention to provide a power supply circuit for a gate drive circuit for semiconductor switching devices of a "fly capacitor" type power directing circuit, wherein the power supply circuit uses an electrical isolation device with a low withstand voltage and hence a downsizing and a cost reduction is achieved.

Um die obige Aufgabe zu erfüllen, ist ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung für Halbleiter-Schaltvorrichtungen eines Stromrichters mit einer Gleichstromversorgung, bestehend aus einer Vielzahl von Einzel-Gleichstromversorgungen, welche mit drei Anschlusspunkten in Reihe geschaltet sind, einer Vielzahl der Halbleiter-Schaltvorrichtungen und einem fliegenden Kondensator (fliegenden Kondensatoren), wobei der Stromrichter eine Leistungsumwandlung von Gleichstrom zu Wechselstrom oder von Wechselstrom zu Gleichstrom durchführt, aus einer Stromrichtschaltung vom ”Fliegende-Kondensatoren”-Typ besteht und durch Addieren oder Subtrahieren jeder Spannung zwischen Anschlusspunkten der Gleichstromversorgung und einer Spannung des fliegenden Kondensators mehrere Spannungsstufen erzeugt, die Stromversorgungsschaltung aus zwei oder mehr in Reihe geschalteten Schaltungen, welche jeweils eine Isoliervorrichtung verwenden, besteht und ein mittlerer Teil der in Reihe geschalteten Schaltungen mit einem Punkt mittleren Potentials der fliegenden Kondensatoren oder einem Punkt (Punkten) feststehenden Potentials eines Hauptschaltungs-Gleichstromteils verbunden ist.In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is a power supply circuit for a gate driving circuit for semiconductor switching devices of a power converter having a DC power supply consisting of a plurality of single DC power supplies connected in series with three terminals A plurality of semiconductor switching devices and a flying capacitor (flying capacitors), wherein the power converter performs a power conversion from direct current to alternating current or from alternating current to direct current, consists of a "flying capacitors" type current directing circuit and by adding or subtracting each voltage between Connecting terminals of the DC power supply and a voltage of the flying capacitor generates several voltage levels, the power supply circuit of two or more series-connected Circuits each using an isolation device, and a middle part of the series connected circuits is connected to a middle potential point of the flying capacitors or a fixed point point (points) of a main circuit DC part.

Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung eines Stromrichters des ersten Aspekts der Erfindung, wobei der Punkt bzw. die Punkte feststehenden Potentials des Hauptschaltungs-Gleichstromteils ein Potentialpunkt zwischen dem Punkt höchsten Potentials und dem Punkt mittleren Potentials des Hauptschaltungs-Gleichstromteils oder ein Potentialpunkt zwischen dem Punkt niedrigsten Potentials und dem Punkt mittleren Potentials des Hauptschaltungs-Gleichstromteils ist bzw. sind.A second aspect of the present invention is the power supply circuit for a gate drive circuit of a power converter of the first aspect of the invention, wherein the fixed potential point (s) of the main circuit DC part is a potential point between the highest potential point and the middle potential point of the main circuit. DC part or a potential point between the lowest potential point and the middle potential point of the main circuit DC part is or are.

Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung eines Stromrichters des ersten Aspekts oder des zweiten Aspekts der Erfindung, wobei die Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung mindestens zwei Schaltungen, welche jeweils die Isoliervorrichtung verwenden, zur Stromversorgung der Gate-Ansteuerschaltung enthält, welche ab einem Bezugspotentialpunkt, welcher der Punkt mittleren Potentials des Hauptschaltungs-Gleichstromteils ist, in Reihe geschaltet sind.A third aspect of the present invention is the power supply circuit for a gate drive circuit of a power converter of the first aspect or the second aspect of the invention, wherein the power supply circuit for a gate drive circuit supplies at least two circuits each using the isolation device to power the gate drive circuit which is connected in series from a reference potential point which is the middle potential point of the main circuit DC part.

In der vorliegenden Erfindung verwendet ein Verfahren zur elektrischen Isolierung in einer Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung in einem Hochspannungs-Stromrichter einer ”Mehrere-Kilovolt”-Klasse keine elektrische Isoliervorrichtung aus einem einzigen Transformator mit hoher Stehspannung, sondern verwendet es in Reihe geschaltete Schaltungen von Transformatoren mit niedriger Stehspannung, welche klein und kostengünstig sind.In the present invention, a method for electrical isolation in a power supply circuit for a gate drive circuit in a "multi-kilovolt" class high-voltage power converter does not use an electrical isolation device of a single high-withstand voltage transformer, but uses series-connected circuits thereof Transformers with low withstand voltage, which are small and inexpensive.

Die vorliegende Erfindung verwendet eine elektrische Isoliervorrichtung in einer Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung für Halbleiter-Schaltvorrichtungen einer Stromrichtschaltung vom ”Fliegende-Kondensatoren”-Typ, welche eine Art von Hochspannungs-Stromrichtsystem ist. Eine elektrische Isoliervorrichtung der Erfindung ist nicht unter Verwendung eines einzigen Transformators mit hoher Stehspannung aufgebaut, sondern ist unter Verwendung einer Reihenschaltung von Transformatoren mit niedriger Stehspannung, welche klein und kostengünstig sind, aufgebaut. Der mittlere Verbindungspunkt der Reihenschaltung ist mit einem Punkt mittleren Potentials des fliegenden Kondensators oder mit einem Punkt feststehenden Potentials eines Hauptschaltungs-Gleichstromteils verbunden. Dieser Aufbau brachte eine Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung zustande, welche klein und kostengünstig ist.The present invention employs an electrical isolation device in a power supply circuit for a gate drive circuit for semiconductor switching devices of a "fly capacitor" type power directing circuit, which is a type of high voltage power conversion system. An electrical insulating device of the invention is not constructed using a single high withstand voltage transformer but is constructed using a series circuit of low withstand voltage transformers that are small and inexpensive. The middle connection point of the series connection is connected to a middle potential point of the flying capacitor or to a fixed potential point of a main circuit DC part. This configuration has resulted in a power supply circuit for a gate drive circuit which is small and inexpensive.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

1 ist ein Schaltbild, welches ein Ausführungsform-Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung zeigt; 1 Fig. 10 is a circuit diagram showing Embodiment Example 1 of the present invention;

2 ist eine Tabelle, welche Spannungen an einigen Punkten in der Schaltung des Ausführungsform-Beispiels 1 zeigt; 2 Fig. 10 is a table showing voltages at some points in the circuit of Embodiment Example 1;

3 ist ein vereinfachtes Schaltbild des Ausführungsform-Beispiels 1; 3 is a simplified circuit diagram of the embodiment example 1;

4 ist ein Schaltbild einer Stromrichtschaltung, auf welche das Ausführungsform-Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung angewendet werden soll; 4 Fig. 12 is a circuit diagram of a current directing circuit to which Embodiment Example 2 of the present invention is applied;

5 ist eine Tabelle, welche Spannungen an einigen Punkten in der Schaltung des Ausführungsform-Beispiels 2 zeigt; 5 Fig. 10 is a table showing voltages at some points in the circuit of Embodiment Example 2;

6 ist ein Schaltbild einer Stromrichtschaltung, auf welche das Ausführungsform-Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung angewendet werden soll; 6 Fig. 12 is a circuit diagram of a current directing circuit to which Embodiment Example 3 of the present invention is applied;

7 ist eine Tabelle, welche Spannungen an einigen Punkten in der Schaltung des Ausführungsform-Beispiels 3 zeigt; 7 Fig. 10 is a table showing voltages at some points in the circuit of Embodiment Example 3;

8 zeigt einen allgemeinen Schaltungsaufbau eines Dreiphasen-Umrichtersystems; 8th shows a general circuit construction of a three-phase inverter system;

Die 9A und 9B sind Schaltbilder einer herkömmlichen Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung, wobei 9A ein Hochfrequenz-Isoliersystem zeigt und 9B ein Netzfrequenz-Isoliersystem zeigt;The 9A and 9B 12 are circuit diagrams of a conventional power supply circuit for a gate driving circuit, wherein FIG 9A a high-frequency insulation system shows and 9B shows a mains frequency isolation system;

10 ist ein Schaltbild einer Hauptschaltung eines herkömmlichen dreistufigen Hochspannungs-Umrichtersystems; 10 Fig. 12 is a circuit diagram of a main circuit of a conventional three-stage high voltage inverter system;

11 ist ein Schaltbild eines ersten Beispiels einer herkömmlichen Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung in einem Hochspannungs-Umrichtersystem; und 11 Fig. 10 is a circuit diagram of a first example of a conventional power supply circuit for a gate driving circuit in a high voltage power conversion system; and

12 ist ein Schaltbild eines zweiten Beispiels einer herkömmlichen Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung in einem Hochspannungs-Umrichtersystem. 12 Fig. 10 is a circuit diagram of a second example of a conventional power supply circuit for a gate driving circuit in a high voltage power conversion system.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Eine Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung für Halbleiter-Schaltvorrichtungen einer Stromrichtschaltung vom ”Fliegende-Kondensatoren”-Typ der vorliegenden Erfindung verwendet eine elektrische Isoliervorrichtung, welche aus in Reihe geschalteten Schaltungen, die jeweils einen Transformator verwenden, besteht, wobei ein mittlerer Verbindungspunkt der in Reihe geschalteten Schaltungen mit einem Punkt mittleren Potentials der fliegenden Kondensatoren oder einem Punkt feststehenden Potentials eines Gleichstromteils der Hauptschaltung verbunden ist.A power supply circuit for a gate drive circuit for semiconductor Switching devices of a "flying capacitor" type current directing circuit of the present invention employs an electrical insulating device consisting of series connected circuits each using a transformer, wherein a middle connecting point of the series connected circuits having a middle potential point of the flying ones Capacitors or a fixed potential point of a DC part of the main circuit is connected.

[Ausführungsform-Beispiel 1]Embodiment Example 1

1 zeigt das Ausführungsform-Beispiel 1, welches eine Ausführungsform einer einen fliegenden Kondensator verwendenden, dreistufigen Umrichterschaltung mit dreiphasigem Ausgang ist. Eine Gate-Ansteuerschaltung ist mit dem Gate jedes IGBT, welcher eine Halbleiter-Schaltvorrichtung ist, verbunden, obwohl die Gate-Ansteuerschaltung in 1 nicht gezeigt ist. Da die drei Phasen gleich aufgebaut sind, wird im Folgenden hauptsächlich die U-Phase beschrieben. Eine Reihenschaltung von vier Halbleiter-Schaltvorrichtungen Su1, Su2, Sx1 und Sx2 ist zwischen einen positiven Anschlusspunkt P und einen negativen Anschlusspunkt N einer aus Einzel-Gleichstromversorgungen DP1, DP2, DN1 und DN2 bestehenden Gleichstromversorgung geschaltet. Eine Reihenschaltung fliegender Kondensatoren Cu1 und Cu2 ist zwischen den Verbindungspunkt zwischen den Halbleiter-Schaltvorrichtungen Su1 und Su2 und den Verbindungspunkt zwischen den Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sx1 und Sx2 geschaltet. Wenn die Spannung der Gleichstromversorgung 4 Ed ist, können bei auf 2 Ed gesteuerter Kondensatorspannung drei Potentialstufen 2 Ed, 0, –2 Ed am Wechselstrom-Ausgabepunkt A ausgegeben werden, wobei die Bezugsspannung null das M-Punkt-Potential ist, welches ein mittleres Gleichspannungspotential ist. Somit ist die Schaltung in 1 ein dreistufiger Umrichter. Wenn eine regenerierte Leistung von der Last über den Wechselstrom-Ausgabepunkt zur Gleichstromversorgung fließt, arbeitet die Schaltung in 1 als ein Umformer, um eine Wechselstromleistung in eine Gleichstromleistung umzuwandeln. Die Stromversorgung vom M-Punkt-Potential am Punkt mittleren Potentials der Gleichstromversorgung zu jeder Gate-Ansteuerschaltung erfolgt mit einer Reihenschaltung aus einer einen Hochfrequenz-Transformator Tr2 verwendenden Schaltung und einer einen Hochfrequenz-Transformator Tr3 verwendenden Schaltung. 1 Figure 1 shows the embodiment example 1, which is one embodiment of a three-phase three-phase output three-phase inverter circuit using a flying capacitor. A gate drive circuit is connected to the gate of each IGBT, which is a semiconductor switching device, although the gate drive circuit in FIG 1 not shown. Since the three phases have the same structure, the U phase is mainly described below. A series connection of four semiconductor switching devices Su1, Su2, Sx1 and Sx2 is connected between a positive terminal point P and a negative terminal point N of a DC power supply consisting of single DC power supplies DP1, DP2, DN1 and DN2. A series circuit of flying capacitors Cu1 and Cu2 is connected between the connection point between the semiconductor switching devices Su1 and Su2 and the connection point between the semiconductor switching devices Sx1 and Sx2. When the voltage of the DC power supply 4 is Ed, with the capacitor voltage controlled at 2 Ed, three potential levels 2 Ed, 0, -2 Ed may be output at the AC output point A, where the reference voltage zero is the M-spot potential, which is an intermediate DC potential is. Thus, the circuit is in 1 a three-stage inverter. When a regenerated power flows from the load through the AC output point to the DC power supply, the circuit operates in 1 as a converter to convert an AC power to a DC power. The power supply from the M-spot potential at the middle potential point of the DC power supply to each gate drive circuit is made by a series arrangement of a circuit using a high-frequency transformer Tr2 and a circuit using a high-frequency transformer Tr3.

Der Ausgang der einen Hochfrequenz-Transformator Tr3 verwendenden Schaltung wird einer Gate-Ansteuerschaltung für einen IGBT, welcher eine Halbleiter-Schaltvorrichtung ist, zugeführt. Der Reihenschaltungs-Verbindungspunkt zwischen der den Transformator Tr2 verwendenden Schaltung und der den Transformator Tr3 verwendenden Schaltung ist mit einem Punkt feststehenden Potentials eines Potentialpunkts E1, welches um eine Spannung Ed höher als das M-Punkt-Potential der Gleichstromversorgung ist, einem Punkt feststehenden Potentials eines Potentialpunkts E2, welches um eine Spannung Ed niedriger als das M-Punkt-Potential der Gleichstromversorgung ist, oder einem Punkt mittleren Potentials E3 einer Reihenschaltung der fliegenden Kondensatoren Cu1 und Cu2 verbunden.The output of the circuit using a high-frequency transformer Tr3 is supplied to a gate driving circuit for an IGBT, which is a semiconductor switching device. The series connection connection point between the circuit using the transformer Tr2 and the circuit using the transformer Tr3 is connected to a fixed potential point of a potential point E1, which is higher than the M point potential of the DC power supply by a voltage Ed, a fixed potential point Potential point E2, which is lower by a voltage Ed than the M-point potential of the DC power supply, or a point average potential E3 connected in series of the flying capacitors Cu1 and Cu2.

2, welche eine Tabelle ist, zeigt einige Spannungen in der Stromversorgungsschaltung für die Gate-Ansteuerschaltung in der in 1 gezeigten Umformschaltung mit dreistufigem Ausgang, wobei das Potential am mittleren Punkt M der Gleichstromversorgung als null definiert ist. Die Spannungen in 2 beinhalten eine Spannung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung des Hochfrequenz-Transformators Tr2, eine Spannung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung des Hochfrequenz-Transformators Tr3 und eine Spannung am mittleren Punkt der Reihenschaltung der den Hochfrequenz-Transformator Tr2 verwendenden Schaltung und der den Hochfrequenz-Transformator Tr3 verwendenden Schaltung. Wie deutlich in der Tabelle gezeigt, sind die ganze Gruppe von Hochfrequenz-Transformatoren Tr2 und die ganze Gruppe von Hochfrequenz-Transformatoren Tr3 einer gleichen Spannung Ed zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung des Transformators ausgesetzt. Deshalb genügt es, wenn alle Transformatoren dieser Spannung Ed standhalten. 2 , which is a table, shows some voltages in the power supply circuit for the gate drive circuit in the in 1 shown three-output output forming circuit, wherein the potential at the middle point M of the DC power supply is defined as zero. The tensions in 2 Include a voltage between the primary winding and the secondary winding of the high-frequency transformer Tr2, a voltage between the primary winding and the secondary winding of the high-frequency transformer Tr3 and a voltage at the middle point of the series connection of the circuit using the high-frequency transformer Tr2 and the high-frequency transformer Tr3 using circuit. As clearly shown in the table, the whole group of high-frequency transformers Tr2 and the whole group of high-frequency transformers Tr3 are exposed to a same voltage Ed between the primary winding and the secondary winding of the transformer. Therefore it is sufficient if all transformers withstand this voltage Ed.

3 zeigt einen vereinfachten Aufbau einer Schaltung zum Erzeugen einer Leistung für eine Gate-Ansteuerschaltung aus einer Niederspannungs-Wechselstromversorgung AP. In der Schaltung in 3 ist die Wechselstrom/Wechselstrom-Umformschaltung ACV, welche eine Netzfrequenz-Spannung der Niederspannungs-Wechselstromversorgung AP in eine Hochfrequenz-Wechselspannung umwandelt, die gleiche Schaltung wie diejenige in 12; und ist auch der Hochfrequenz-Transformator Tr1, welcher das Potential am Punkt M der Gleichstromversorgung von der Niederspannungs-Wechselstromversorgung AP elektrisch isoliert, der gleiche wie derjenige in 12. Jedoch sind die Hochfrequenz-Transformatoren HFT2 mit einer hohen Stehspannung von mindestens 2 Ed in der Schaltung in 12 in der Schaltung der Ausführungsform von 3 durch die Hochfrequenz-Transformatoren Tr2 und Tr3 mit einer niedrigen Stehspannung von Ed ersetzt. Die Schaltung in 3 ist eine Schaltung, bei welcher die Wicklungen der Trenntransformatoren direkt in Reihe geschaltet sind. Jedoch kann die den Hochfrequenz-Trenntransformator Tr1, Tr2 oder Tr3 verwendende Schaltung mit einer Kombination aus einer Wechselstrom/Gleichstrom-Umformschaltung, einer Gleichstrom/Wechselstrom-Umformschaltung und einem Trenntransformator aufgebaut sein. Eine solche Schaltung kann in dem Fall, welcher einen eine lange Verdrahtungsstrecke erfordernden Aufbau aufweist, oder in dem Fall, welcher die Betriebsfrequenz ändert, wirkungsvoll angewendet werden. 3 shows a simplified structure of a circuit for generating a power for a gate drive circuit from a low-voltage AC power supply AP. In the circuit in 3 For example, the AC / AC conversion circuit ACV which converts a line frequency voltage of the low-voltage AC power supply AP into a high-frequency AC voltage is the same circuit as that in FIG 12 ; and is also the high-frequency transformer Tr1, which electrically isolates the potential at the point M of the DC power supply from the low-voltage AC power supply AP, the same as that in FIG 12 , However, the high frequency transformers HFT2 with a high withstand voltage of at least 2 Ed in the circuit in FIG 12 in the circuit of the embodiment of FIG 3 replaced by the high-frequency transformers Tr2 and Tr3 with a low withstand voltage of Ed. The circuit in 3 is a circuit in which the windings of the isolation transformers are connected directly in series. However, the circuit using the high-frequency isolation transformer Tr1, Tr2 or Tr3 may be provided with a combination of an AC / DC converter circuit, a DC / AC converter circuit and a DC / DC converter circuit Isolating transformer be constructed. Such a circuit can be effectively applied in the case which has a structure requiring a long wiring route or in the case which changes the operating frequency.

[Ausführungsform-Beispiel 2][Embodiment Example 2]

4 zeigt eine Stromrichtschaltung, auf welche das Ausführungsform-Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung angewendet werden soll. Die Schaltung ist eine Stromrichtschaltung vom ”Fliegende-Kondensatoren”-Typ, welche fünf Ausgangsspannungsstufen abgeben kann. Im Folgenden wird nur eine Phase beschrieben. Da eine fünfstufige Stromrichtschaltung zum Beispiel in der japanischen ungeprüften Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 2012-182974 offenbart ist, wird hier auf eine ausführliche Beschreibung verzichtet. Der in 4 gezeigte Schaltungsaufbau für das Ausführungsform-Beispiel 2 unterscheidet sich darin vom in 1 gezeigten Schaltungsaufbau des Ausführungsform-Beispiels 1, dass die Schaltung in 4 eine Reihenschaltung von Halbleiter-Schaltvorrichtungen S5 und S6, welche zur Reihenschaltung der fliegenden Kondensatoren C1a und C1b parallelgeschaltet ist, enthält und einen aus antiparallel geschalteten rückwärts sperrenden IGBTs S11 und S12 bestehenden Zweirichtungsschalter zwischen dem Reihenschaltungs-Verbindungspunkt zwischen den in Reihe geschalteten Halbleiter-Schaltvorrichtungen S5 und S6 und dem mittleren Punkt M der Gleichstromversorgung enthält. 4 shows a power conversion circuit to which Embodiment Example 2 of the present invention is to be applied. The circuit is a fly capacitor type of "fly capacitor" type which can deliver five output voltage levels. In the following, only one phase will be described. As a five-stage current direction circuit, for example, in the Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2012-182974 is disclosed, a detailed description is omitted here. The in 4 Circuitry shown for Embodiment Example 2 differs from that in FIG 1 shown circuit structure of the embodiment example 1 that the circuit in 4 a series circuit of semiconductor switching devices S5 and S6 connected in parallel with each other for series connection of the flying capacitors C1a and C1b, and a bidirectional switch consisting of antiparallel reverse blocking IGBTs S11 and S12 between the series connection point between the series connected semiconductor switching devices S5 and S6 and the middle point M of the DC power supply.

Die Gleichstromversorgung besteht aus in Reihe geschalteten Einzel-Gleichstromversorgungen DP1, DP2, DN1 und DN2, und das Potential am mittleren Punkt M ist null und die Spannung jeder einzelnen Stromversorgung ist Ed. Wenn die Spannung der Reihenschaltung der fliegenden Kondensatoren C1a und C1b auf eine Spannung Ed gesteuert wird, können fünf Spannungsstufen aus dem Wechselstrom-Anschlusspunkt abgegeben werden. Wie in Ausführungsform-Beispiel 1 ist das Potential am Reihenschaltungs-Verbindungspunkt zwischen dem Hochfrequenz-Transformator Tr2 und dem Hochfrequenz-Transformator Tr3 wie in 3 gezeigt entsprechend dem Arbeitspotential der Gate-Ansteuerschaltung für die IGBTs mit einem Punkt feststehenden Potentials des Verbindungspunkts E1 zwischen den Einzel-Gleichstromversorgungen DP1 und DP2, des Verbindungspunkts E2 zwischen den Einzel-Gleichstromversorgungen DN1 und DN2 oder des Reihenschaltungs-Verbindungspunkts der fliegenden Kondensatoren C1a und C1b verbunden. Somit kann in der Stromversorgungsschaltung für die Gate-Ansteuerschaltung für die Halbleiter-Schaltvorrichtungen eine Spannungsteilung durchgeführt werden.The DC power supply consists of series-connected single-DC supplies DP1, DP2, DN1 and DN2, and the potential at mid-point M is zero and the voltage of each individual power supply is Ed. When the voltage of the series connection of the flying capacitors C1a and C1b is controlled to a voltage Ed, five voltage stages can be output from the AC terminal. As in Embodiment-Example 1, the potential at the series connection point between the high-frequency transformer Tr2 and the high-frequency transformer Tr3 is as in FIG 3 shown corresponding to the working potential of the gate drive circuit for the IGBTs with a fixed potential point of the connection point E1 between the single DC power supplies DP1 and DP2, the connection point E2 between the single DC power supplies DN1 and DN2, or the series connection point of the flying capacitors C1a and C1b connected. Thus, in the power supply circuit for the gate drive circuit for the semiconductor switching devices, voltage division can be performed.

5, welche eine Tabelle ist, zeigt einige Spannungen, wobei das Potential am mittleren Punkt M der Gleichstromversorgung als null definiert ist, darunter eine Spannung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung des Hochfrequenz-Transformators Tr2, eine Spannung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung des Hochfrequenz-Transformators Tr3 und eine Spannung am mittleren Punkt zwischen dem Reihenschaltungs-Verbindungspunkt des Hochfrequenz-Transformators Tr2 und dem Hochfrequenz-Transformator Tr3. Diese Schaltung benötigt drei Transformatorentypen mit einer Stehspannung von 1,5 Ed und mit einer Stehspannung von Ed und mit einer Stehspannung von 0,5 Ed. Gegenüber der herkömmlichen Schaltung, in welcher die ganze Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung Transformatoren mit einer Stehspannung von 2 Ed benötigt, werden eine Verkleinerung und eine Kostensenkung erreicht. 5 , which is a table, shows some voltages wherein the potential at the middle point M of the DC power supply is defined as zero, including a voltage between the primary winding and the secondary winding of the high-frequency transformer Tr2, a voltage between the primary winding and the secondary winding of the high frequency transformer. Transformer Tr3 and a voltage at the middle point between the series connection point of the high-frequency transformer Tr2 and the high-frequency transformer Tr3. This circuit requires three types of transformers with a withstand voltage of 1.5 Ed and a withstand voltage of Ed and a withstand voltage of 0.5 Ed. Compared with the conventional circuit in which the whole power supply circuit for a gate drive circuit requires transformers with a withstand voltage of 2 Ed, downsizing and cost reduction are achieved.

[Ausführungsform-Beispiel 3]Embodiment Example 3

6 zeigt eine Stromrichtschaltung, auf welche das Ausführungsform-Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung angewendet werden soll. Die Schaltung ist eine Stromrichtschaltung vom ”Fliegende-Kondensatoren”-Typ, welche sieben Ausgangsspannungsstufen abgeben kann. Im Folgenden wird nur eine Phase beschrieben. Eine siebenstufige Stromrichtschaltung wurde durch den Erfinder der vorliegenden Erfindung erfunden und in der japanischen ungeprüften Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 2013-146117 offenbart. Deshalb wird hier auf eine ausführliche Beschreibung verzichtet. Die Hauptschaltung der Schaltung in 6 hat einen auf der Grundlage des Schaltungsaufbaus des Ausführungsform-Beispiels 2 in 4 erweiterten Aufbau, um einen siebenstufigen Betrieb durchzuführen. Die Hauptschaltung enthält eine Reihenschaltung von Halbleiter-Schaltvorrichtungen S1a bis S1d, S2 bis S5 und S6a bis S6d, wobei die Reihenschaltung zu einer aus Einzel-Gleichstromversorgungen DP1, DP2, DP3, DN1, DN2 und DN3 bestehenden Gleichstromversorgung parallelgeschaltet ist. 6 shows a power conversion circuit to which Embodiment Example 3 of the present invention is to be applied. The circuit is a fly-capacitor circuit of the "flying capacitor" type, which can deliver seven output voltage levels. In the following, only one phase will be described. A seven-stage current-directing circuit was invented by the inventor of the present invention and disclosed in U.S.P. Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2013-146117 disclosed. Therefore, a detailed description is omitted here. The main circuit of the circuit in 6 has one based on the circuit construction of the embodiment example 2 in FIG 4 extended setup to perform a seven-step operation. The main circuit includes a series connection of semiconductor switching devices S1a to S1d, S2 to S5 and S6a to S6d, the series circuit being connected in parallel to a DC power supply consisting of individual DC power supplies DP1, DP2, DP3, DN1, DN2 and DN3.

Die Schaltung in 6 enthält außerdem: einen zu einer Reihenschaltung der Halbleiter-Schaltvorrichtungen S3 und S4 parallelgeschalteten ersten fliegenden Kondensator C1; einen zweiten fliegenden Kondensator aus einer Reihenschaltung fliegender Kondensatoren C2a und C2b; eine zur Reihenschaltung der Kondensatoren C2a und C2b parallelgeschaltete Reihenschaltung von Halbleiter-Schaltvorrichtungen S7 bis S10; einen zu einer Reihenschaltung der Halbleiter-Schaltvorrichtungen S8 und S9 parallelgeschalteten dritten fliegenden Kondensator C3; und einen aus antiparallel geschalteten rückwärts sperrenden IGBTs S11 und S12 bestehenden Zweirichtungsschalter zwischen dem Verbindungspunkt der in Reihe geschalteten Halbleiter-Schaltvorrichtungen S8 und S9 und dem mittleren Punkt M der Gleichstromversorgung.The circuit in 6 also includes: a first flying capacitor C1 connected in parallel with a series connection of the semiconductor switching devices S3 and S4; a second flying capacitor of a series connection of flying capacitors C2a and C2b; a series circuit of semiconductor switching devices S7 to S10 connected in parallel with the series connection of the capacitors C2a and C2b; a third fly capacitor C3 connected in parallel with a series circuit of the semiconductor switching devices S8 and S9; and a bi-directional switch consisting of antiparallel reverse blocking IGBTs S11 and S12 between the Connection point of the series-connected semiconductor switching devices S8 and S9 and the middle point M of the DC power supply.

Die Gleichstromversorgung besteht aus in Reihe geschalteten Einzel-Gleichstromversorgungen DP1, DP2, DP3, DN1, DN2 und DN3, und das Potential am mittleren Punkt M ist null und die Spannung jeder Einzelstromversorgung ist Ed. Wenn die Spannungen der fliegenden Kondensatoren C1 und C3 jeweils auf Ed gesteuert werden und die Spannung der Reihenschaltung der fliegenden Kondensatoren C2a und C2b auf eine Spannung von 2 Ed gesteuert wird, können sieben Spannungsstufen aus dem Wechselstrom-Anschlusspunkt abgegeben werden.The DC power supply consists of series-connected single DC power supplies DP1, DP2, DP3, DN1, DN2 and DN3, and the potential at the middle point M is zero and the voltage of each single power supply is Ed. When the voltages of the flying capacitors C1 and C3 are respectively controlled to Ed and the voltage of the series connection of the flying capacitors C2a and C2b is controlled to a voltage of 2 Ed, seven voltage stages can be output from the AC terminal.

Wie in Ausführungsform-Beispiel 1 und Ausführungsform-Beispiel 2 ist das Potential am Reihenschaltungs-Verbindungspunkt zwischen dem Hochfrequenz-Transformator Tr2 und dem Hochfrequenz-Transformator Tr3 wie in 3 gezeigt entsprechend dem Arbeitspotential der Gate-Ansteuerschaltung für die IGBTs mit einem Punkt feststehenden Potentials des Verbindungspunkts E1 zwischen den Einzel-Gleichstromversorgungen DP2 und DP3, des Verbindungspunkts E2 zwischen den Einzel-Gleichstromversorgungen DN1 und DN2 oder des Reihenschaltungs-Verbindungspunkts E3 der fliegenden Kondensatoren C2a und C2b verbunden. Somit kann in der Stromversorgungsschaltung für die Ansteuerschaltung für die Halbleiter-Schaltvorrichtungen eine Spannungsteilung durchgeführt werden.As in Embodiment-Example 1 and Embodiment-Example 2, the potential at the series connection point between the high-frequency transformer Tr2 and the high-frequency transformer Tr3 is as in FIG 3 shown corresponding to the working potential of the gate drive circuit for the IGBTs with a fixed potential point of the connection point E1 between the single DC power supplies DP2 and DP3, the connection point E2 between the single DC power supplies DN1 and DN2 or the series connection point E3 of the flying capacitors C2a and C2b connected. Thus, in the power supply circuit for the driving circuit for the semiconductor switching devices, a voltage division can be performed.

7, welche eine Tabelle ist, zeigt einige Spannungen, wobei das Potential am mittleren Punkt M der Gleichstromversorgung als null definiert ist, darunter eine Spannung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung des Hochfrequenz-Transformators Tr2, eine Spannung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung des Hochfrequenz-Transformators Tr3 und eine Spannung am mittleren Punkt zwischen den in Reihe geschalteten Hochfrequenz-Transformatoren Tr2 und Tr3. Diese Schaltung benötigt zwei Transformatorentypen mit einer Stehspannung von 2 Ed und mit einer Stehspannung von Ed. Gegenüber der herkömmlichen Schaltung, in welcher die ganze Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung Transformatoren mit einer Stehspannung von 3 Ed benötigt, werden eine Verkleinerung und eine Kostensenkung erreicht. 7 , which is a table, shows some voltages wherein the potential at the middle point M of the DC power supply is defined as zero, including a voltage between the primary winding and the secondary winding of the high-frequency transformer Tr2, a voltage between the primary winding and the secondary winding of the high frequency transformer. Transformer Tr3 and a voltage at the middle point between the series-connected high-frequency transformers Tr2 and Tr3. This circuit requires two transformer types with a withstand voltage of 2 Ed and a withstand voltage of Ed. Compared with the conventional circuit in which the entire power supply circuit for a gate drive circuit requires transformers with a withstand voltage of 3 Ed, downsizing and cost reduction are achieved.

Bis jetzt wurden die Ausführungsformen für Stromrichtschaltungen vom ”Fliegende-Kondensatoren”-Typ mit dreistufiger, fünfstufiger und siebenstufiger Ausgangsspannung beschrieben. Jedoch kann die vorliegende Erfindung für mehrere Stufen mehrstufiger Stromrichtschaltungen verwendet werden. Der Punkt feststehenden Potentials der Gleichstromversorgung, welcher mit dem Reihenschaltungs-Verbindungspunkt zwischen dem Hochfrequenz-Transformator Tr2 und dem Hochfrequenz-Transformator Tr3 zu verbinden ist, kann der Reihenschaltungs-Verbindungspunkt zwischen den Einzel-Gleichstromversorgungen DP1 und DP2 oder der Reihenschaltungs-Verbindungspunkt der Einzel-Gleichstromversorgungen DN2 und DN3 sein, was die gleichen Wirkungen zustandebringt. Die Anzahl von Reihenschaltungen der jeweils einen Transformator verwendenden Schaltungen kann drei oder mehr sein, und jeder der Reihenschaltungs-Verbindungspunkte ist mit einem Punkt mittleren Potentials zwischen fliegenden Kondensatoren oder einem Punkt feststehenden Potentials der Gleichstromversorgung verbunden, was die gleichen Wirkungen zustandebringt.So far, the embodiments have been described for "fly capacitor" type power converter circuits with three-level, five-level and seven-level output voltage. However, the present invention can be used for multiple stages of multi-stage power conversion circuits. The fixed potential point of the DC power supply to be connected to the series connection point between the high frequency transformer Tr2 and the high frequency transformer Tr3 may be the series connection point between the single DC power supplies DP1 and DP2 or the series connection point of the individual power supply. DC supplies DN2 and DN3, which provides the same effects. The number of series connections of the respective circuits using a transformer may be three or more, and each of the series connection points is connected to a middle potential point between flying capacitors or a fixed potential point of the DC power supply, which causes the same effects.

Die vorliegende Erfindung kann für eine Hochspannungsmotor-Ansteuereinrichtung, eine Netzkupplungs-Stromrichteinrichtung und andere Stromrichtsysteme verwendet werden, welche eine Stromrichtschaltung vom ”Fliegende-Kondensatoren”-Typ mit einer aus zwei oder mehr Einzel-Gleichstromversorgungen bestehenden und mehrere Spannungsstufen abgebenden Gleichstromversorgung mit Dreipunkt-Eingang verwenden.The present invention can be used for a high-voltage motor driver, a mains coupling converter and other power converter systems comprising a "fly capacitor" type power converter circuit having a three-point input DC power supply consisting of two or more single DC power supplies and multiple voltage stages use.

Merkmale, Bestandteile und spezielle Einzelheiten der Strukturen der oben beschriebenen Ausführungsformen können vertauscht oder kombiniert werden, um weitere, für die jeweilige Anwendung optimierte Ausführungsformen zu bilden. Soweit diese Abwandlungen für einen Fachmann ohne weiteres ersichtlich sind, sollen sie, um der Kürze der vorliegenden Beschreibung willen, durch die obige Beschreibung unausgesprochen offenbart sein, ohne dass jede mögliche Kombination ausdrücklich angegeben ist.Features, components and specific details of the structures of the embodiments described above may be interchanged or combined to form further embodiments optimized for the particular application. Insofar as these modifications will be readily apparent to one of ordinary skill in the art, for the sake of brevity of the present description, it is to be understood that the foregoing description is not intended to be in any way implicit, without any particular combination being expressly stated.

[Bezugszeichenliste][REFERENCE LIST]

  • DP1, DP2, DP3, DN1, DN2, DN3:DP1, DP2, DP3, DN1, DN2, DN3:
    Einzel-GleichstromversorgungSingle-DC power supply
    ACM:ACM:
    WechselstrommotorAC motor
    APM:APM:
    Haupt-WechselstromleistungsquelleMain AC power source
    AP:AP:
    Niederspannungs-WechselstromversorgungLow-voltage AC power supply
    RE:RE:
    GleichrichtschaltungRectifying circuit
    INV:INV:
    Gleichstrom/Wechselstrom-UmformschaltungDC / AC converter circuit
    ACV:ACV:
    Wechselstrom/Wechselstrom-UmformschaltungAC / AC converter circuit
    CFT:CFT:
    Netzfrequenz-TransformatorMains frequency transformer
    HFT, HFT1, HFT2, HFT3, Tr1, Tr2, Tr3: HFT, HFT1, HFT2, HFT3, Tr1, Tr2, Tr3:
    Hochfrequenz-TransformatorHigh-frequency transformers
    D:D:
    Diodediode
    GD, GDu, GDv, GDw, GDx, GDy, GDz:GD, GDu, GDv, GDw, GDx, GDy, GDz:
    Gate-AnsteuerschaltungGate drive circuit
    CNT:CNT:
    Steuerschaltungcontrol circuit
    Cu1, Cu2, Cv1, Cv2, Cw1, Cw2, C1a, C1b:Cu1, Cu2, Cv1, Cv2, Cw1, Cw2, C1a, C1b:
    Kondensatorcapacitor
    C1, C2a, C2b, C3, Ca, Cb, Cd:C1, C2a, C2b, C3, Ca, Cb, Cd:
    Kondensatorcapacitor
    S, Su1, Su2, Sv1, Sv2, Sw1, Sw2:S, Su1, Su2, Sv1, Sv2, Sw1, Sw2:
    Halbleiter-SchaltvorrichtungSemiconductor switching device
    Sx1, Sx2, Sy1, Sy2, Sz1, Sz2:Sx1, Sx2, Sy1, Sy2, Sz1, Sz2:
    Halbleiter-SchaltvorrichtungSemiconductor switching device
    S1a, S1b, S1c, S1d, S2, S3, S4, S4a, S4b, S4c, S5:S1a, S1b, S1c, S1d, S2, S3, S4, S4a, S4b, S4c, S5:
    Halbleiter-SchaltvorrichtungSemiconductor switching device
    S6a, S6b, S6c, S6d, S7, S8, S9, S10:S6a, S6b, S6c, S6d, S7, S8, S9, S10:
    Halbleiter-Schaltvorrichtung Semiconductor switching device
    S11, S12:S11, S12:
    Rückwärts sperrender IGBTBackward blocking IGBT

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • JP 2013-107081 [0001] JP 2013-107081 [0001]
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  • JP 2006-081232 [0010] JP 2006-081232 [0010]
  • JP 2012-182974 [0036] JP 2012-182974 [0036]
  • JP 2013-146117 [0039] JP 2013-146117 [0039]

Claims (3)

Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung für Halbleiter-Schaltvorrichtungen (Su1, Su2, Sx1, Sx2, Sv1, Sv2, Sy1, Sy2, Sw1, Sw2, Sz1, Sz2) eines Stromrichters mit einer Gleichstromversorgung, bestehend aus einer Vielzahl von Einzel-Gleichstromversorgungen (DP1, DP2, DP3, DN1, DN2, DN3), welche mit drei Anschlusspunkten in Reihe geschaltet sind, einer Vielzahl der Halbleiter-Schaltvorrichtungen (Su1, Su2, Sx1, Sx2, Sv1, Sv2, Sy1, Sy2, Sw1, Sw2, Sz1, Sz2) und einem fliegenden Kondensator bzw. fliegenden Kondensatoren (Cu1, Cu2, Cv1, Cv2, Cw1, Cw2), wobei der Stromrichter eine Leistungsumwandlung von Gleichstrom zu Wechselstrom oder von Wechselstrom zu Gleichstrom durchführt, aus einer Stromrichtschaltung vom ”Fliegende-Kondensatoren”-Typ besteht und durch Addieren oder Subtrahieren jeder Spannung zwischen Anschlusspunkten der Gleichstromversorgung und einer Spannung des fliegenden Kondensators (Cu1, Cu2, Cv1, Cv2, Cw1, Cw2) mehrere Spannungsstufen erzeugt, die Stromversorgungsschaltung aus zwei oder mehr in Reihe geschalteten Schaltungen, welche jeweils eine Isoliervorrichtung (Tr1 bis Tr3) verwenden, besteht und ein mittlerer Teil der in Reihe geschalteten Schaltungen mit einem Punkt mittleren Potentials der fliegenden Kondensatoren (Cu1, Cu2, Cv1, Cv2, Cw1, Cw2) oder einem Punkt bzw. Punkten feststehenden Potentials (E1, E2) eines Hauptschaltungs-Gleichstromteils verbunden ist.Power supply circuit for a gate drive circuit for semiconductor switching devices (Su1, Su2, Sx1, Sx2, Sv1, Sv2, Sy1, Sy2, Sw1, Sw2, Sz1, Sz2) of a power converter with a DC power supply consisting of a plurality of individual DC power supplies ( DP1, DP2, DP3, DN1, DN2, DN3) connected in series with three terminals, a plurality of the semiconductor switching devices (Su1, Su2, Sx1, Sx2, Sv1, Sv2, Sy1, Sy2, Sw1, Sw2, Sz1 , Sz2) and a flying capacitor (Cu1, Cu2, Cv1, Cv2, Cw1, Cw2), wherein the power converter performs a power conversion from direct current to alternating current or from alternating current to direct current, from a current directing circuit of the "flying capacitors" Type and by adding or subtracting each voltage between terminals of the DC power supply and a voltage of the flying capacitor (Cu1, Cu2, Cv1, Cv2, Cw1, Cw2) generates multiple voltage levels, the current and a middle part of the series-connected circuits having a middle potential point of the flying capacitors (Cu1, Cu2, Cv1, Cv2, Cw1, Cw2) or a fixed potential point (E1, E2) of a main circuit DC part. Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung für Halbleiter-Schaltvorrichtungen (Su1, Su2, Sx1, Sx2, Sv1, Sv2, Sy1, Sy2, Sw1, Sw2, Sz1, Sz2) eines Stromrichters nach Anspruch 1, wobei der Punkt bzw. die Punkte feststehenden Potentials (E1, E2) des Hauptschaltungs-Gleichstromteils ein Potentialpunkt (E1) zwischen dem Punkt höchsten Potentials und dem Punkt mittleren Potentials des Hauptschaltungs-Gleichstromteils oder ein Potentialpunkt (E2) zwischen dem Punkt niedrigsten Potentials und dem Punkt mittleren Potentials des Hauptschaltungs-Gleichstromteils ist bzw. sind.A power supply circuit for a gate drive circuit for semiconductor switching devices (Su1, Su2, Sx1, Sx2, Sv1, Sv2, Sy1, Sy2, Sw1, Sw2, Sz1, Sz2) of a power converter according to claim 1, wherein the fixed potential point (s) (E1, E2) of the main circuit DC part is a potential point (E1) between the highest potential point and the middle potential point of the main circuit DC part or a potential point (E2) between the lowest potential point and the middle potential point of the main circuit DC part . are. Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung für Halbleiter-Schaltvorrichtungen (Su1, Su2, Sx1, Sx2, Sv1, Sv2, Sy1, Sy2, Sw1, Sw2, Sz1, Sz2) eines Stromrichters nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Stromversorgungsschaltung für eine Gate-Ansteuerschaltung (GD) mindestens zwei Schaltungen, welche jeweils die Isoliervorrichtung (Tr1 bis Tr3) verwenden, zur Stromversorgung der Gate-Ansteuerschaltung (GD) enthält, welche ab einem Bezugspotentialpunkt, welcher der Punkt mittleren Potentials des Hauptschaltungs-Gleichstromteils ist, in Reihe geschaltet sind.A power supply circuit for a gate drive circuit for semiconductor switching devices (Su1, Su2, Sx1, Sx2, Sv1, Sv2, Sy1, Sy2, Sw1, Sw2, Sz1, Sz2) of a power converter according to claim 1 or claim 2, wherein the power supply circuit for a gate Drive circuit (GD) at least two circuits respectively using the isolation device (Tr1 to Tr3) for powering the gate drive circuit (GD) connected in series from a reference potential point which is the middle potential point of the main circuit DC part are.
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